太阳能增氧机的研究与设计
太阳能增氧机的研究与设计[20191223142109]
摘 要
本文所研究的是太阳能增氧机，是在太阳能电池作为电源的基础上，利用STC89C52单片机实现对鱼缸的可定时增氧。太阳能增氧机可分为四个模块，分别为供电模块、稳压模块、定时模块、增氧模块。
电池选用的是多晶硅光伏电池。由于光伏电板产生的直流电流受环境因素的影响较大，因此在设计的过程中通过DC-DC变换电路处理该问题。增氧机中的稳压芯片选用AMS1117，将太阳能电池与稳压模块连接，组成太阳能增氧机的供电部分和稳压部分。
稳压后的电能输入单片机中。定时模块由单片机STC89C52来实现，其功能相当于一个定时开关，主要是为了根据需求实现对供电装置向增氧器供电的控制。增氧模块得到电后能利用小气泵，将空气压入水中。气泵的增氧气管接高温烧结气盘，使氧气更大面积接触水体，达到高效增氧的目的。
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关键字:太阳能稳压器单片机气泵增氧
目录
1．引言 1
1.1 太阳能增氧机应用现状 1
1.2 太阳能增氧机的目的 1
1.3 研究思路 1
2. 太阳能增氧机总体设计方案 2
2.1 太阳能增氧机的供电及DC-DC稳压设计 2
2.2 基于STC89C52单片机定时系统的设计 2
2.3 增氧机增氧气泵和气盘的选取 3
2.4 本章小结 3
3. 供电模块 4
3.1 太阳能电池发电过程 4
3.2 太阳能电池的等效电路 5
3.3 太阳能电池的选用与分析 6
3.4 影响太阳能电池发电效率的因素 7
3.5 本章小结 8
4. 稳压模块 9
4.1 AMS1117 9
4.2 降压型稳压电路结构 11
4.3 降压型稳压电路的工作过程 13
4.4 本章小结 14
5. 定时系统 15
5.1 基于单片机STC89C52的定时原理 15
5.1.1 定时器工作方式 15
5.1.2 LCD1602液晶显示器 16
5.1.3 继电器电子开关设计 17
5.2 定时关闭系统方案论证 17
5.3 系统硬件电路设计 18
5.3.1 单片机定时系统和晶振电路 18
5.3.2 按键电路和复位电路 19
5.4 系统程序设计 20
5.5本章小结 21
6. 增氧系统 22
6.1 增氧的作用和方法 22
6.2 增氧气泵的工作过程 23
6.3本章小结 25
7.实物展示与拓展 26
7.1 实物展示 26
7.2 功能拓展 29
结束语 30
参考文献 31
致谢 32
附录 33
1．引言
1.1 太阳能增氧机应用现状
鱼缸增氧机在金鱼等观赏鱼的养殖中广泛的使用。很多人都喜欢养金鱼，但是很多情况下，一些金鱼因为水中的含氧量不足而缺乏活力。如果使用增氧机向水中增氧，增加水中的氧含量，将会大幅的提高金鱼的成活率[1]。
本文所要设计的是太阳能增氧机，一种利用太阳能作为供电模块而驱动增氧机进行工作的器件。利用太阳能具有很多好处，首先太阳能取之不尽用之不竭，并且太阳能清洁无污染、无毒害，这一点相对于柴油机驱动来说又是一个可取之处。
1.2 太阳能增氧机的目的
本文设计的太阳能增氧机，其优点是太阳能作为一种新能源，相比于常规能源有很多的优势。太阳能增氧机经安装之后，只需要做一些简单的维护，节能节电。一般观赏性鱼缸都是露天的，将太阳能增氧机放在不受树木等遮挡的阳光下，受光面充足，只要在晴天，增氧机都可以独立进行工作。太阳能增氧机中有定时装置，可根据需求选择增氧机的增氧时间[2]。
另外太阳能增氧机不仅可以利用于鱼缸增氧，还可以用于野外垂钓。为钓上来的鱼增氧，延长鱼的寿命，使鱼保持新鲜。
1.3 研究思路
太阳能增氧机是利用太阳能给增氧机供电，电能带动气泵工作，通过软气管向气盘输送氧气。气盘采用高温烧结气盘，将气管送来的氧气均匀的喷出，增大氧气和水的接触面，提高增氧量。在增氧机的工作过程中，利用定时模块控制增氧机的工作。定时模块主要由STC89C52单片机构成。
单片机同时也由太阳能供电。多晶硅太阳能将光能转换为电能，由于太阳能板发电效率受环境及天气影响，发出的电能不稳定，所以发电后需连接稳压电路。稳定电压后再接入单片机和增氧机进行供电，从而为所设计的产品提供稳定的电能
增氧器采用小型气泵。气泵通常可以分为电动气泵或人工气泵。显然，太阳能增氧机中使用的气泵是小功率的电动气泵。首先利用太阳能发电带动电机，电动机接齿轮后，再利用曲轴将电机旋转的力转换为上下的力，从而驱动橡胶膜进行打气。打出的气体通过氧气管线导入气盘，空气从气盘内均匀喷出。
2. 太阳能增氧机总体设计方案
太阳能增氧机主要由太阳能板的供电部分、DC-DC稳压控制、基于ATC89C52的定时部分以及增氧气泵组成。太阳光照射在多晶硅太阳能板上，将产生直流电源，为后续电路提供电源；因为在不同的光照下，太阳能电板产生的电流变化较大，因此需要一个稳压装置，运用DC-DC变换器将太阳能电板输出的电压稳定为后续电路所需的电压。单片机开启后，可以根据需要选择继电器关闭的时间。关闭的时间设计为增氧一小时后关闭以及三小时、五小时、十小时后关闭，还可以选择始终工作不关闭。系统打开后，增氧气泵开始工作，将空气通入水中，最终从气盘端输出。系统设计框图如图2-1所示。
图2-1 系统设计框图
2.1 太阳能增氧机的供电及DC-DC稳压设计
该增氧气泵和ATC89C52所需的电压均为5 。为了使稳压后的电压能够为增氧气泵和单片机供电，设计中供电的太阳能电池选用9 。综合各类光伏电池的优缺点，产品设计采用的是多晶硅太阳能电池。
因为太阳能电池所产生的直流电受环境的影响和天气影响较大，包括光照强度、光谱响应和温度以及光照角度等等因素，这些使得太阳能电池所发出的的电流不稳定，这样的电流不能直接接入增氧气泵和单片机给其供电。稳压器的作用是能将波动较大的电压稳定在一个很小的范围内,使负载能很好且稳定的工作，因此在设计的过程中通过DC-DC变换电路来处理对稳压问题。
基于DC-DC变换电路的太阳能控制器的工作过程为：太阳能电池通过光照，将输出的电能送入DC-DC变换电路，再根据设计需求，通过DC-DC变换输出稳定的电压或电流，对后续的定时模块和增氧模块提供电能[3]。
2.2 基于STC89C52单片机定时系统的设计
太阳能增氧机的中间环节安装了定时关闭系统。它是基于单片机STC89C52，利用C语言编程制作的定时关闭程序。单片机STC89C52控制电子开关，这个电子开关实际就是最后一个环节增氧模块的开关。这样便可以通过单片机控制继电器来控制增氧气泵，实现可定时关闭增氧机。定时系统分为五个档位，由按键控制可实现一小时、三小时、五小时、十个小时，最后是不关闭五个档位。打开单片机后，默认状态是定时一个小时，可由K2键和K3键实现时间的加减，K1键是开始按键，K0键是复位键。利用LCD1602做显示器，显示器第一排显示“welcome to use!”，第二排显示时间，默认为“01:00:00”，即一个小时。点击开始按键后开始计时，操作简单实用。
2.3 增氧机增氧气泵和气盘的选取
本文所设计的太阳能增氧机，其增氧气泵部分为成品气泵，气泵的功率为2 ，工作电压为5 ，连接单片机的输出端，通过单片机控制其工作。另外气盘选取为高温烧结气盘。高温烧结气盘采用高温烧结所制成，不同于一般市售的气石，具有坚固耐用易清洗等特点，并且出气均匀且细小。这使得增氧气泵压入水中的空气充分的与水体接触，从而增加水体吸氧量。高温烧结气石采用高温烧结所制成，不同于一般市售的气泡石。材质坚固耐用，克反复清洗，长期使用高温烧结气石采用高温烧结所制成，不同于一般市售的气泡石。材质坚固耐用，克反复清洗，长期使用
2.4 本章小结
本章按照设计要求进行总体方案的提出，产品的设计主要有供电模块，稳压模块，和定时模块，同时选定适当的增氧气泵和气盘。太阳能电池的选取，稳压电路的设计方案以及基于STC89C52定时系统的实现方案将会在后续的章节中详细给出。
3. 供电模块
供电模块由多晶硅太阳能电池板组成。供电模块组成了整个太阳能增氧机的供电系统。在阳光的照射下为整个增氧系统和单片机定时控制系统提供电能。本章节主要分析各类太阳能电池的优缺点，根据需求选择更加经济有效的电池。同时分析各类影响太阳能发电效率的因素。
摘 要
本文所研究的是太阳能增氧机，是在太阳能电池作为电源的基础上，利用STC89C52单片机实现对鱼缸的可定时增氧。太阳能增氧机可分为四个模块，分别为供电模块、稳压模块、定时模块、增氧模块。
电池选用的是多晶硅光伏电池。由于光伏电板产生的直流电流受环境因素的影响较大，因此在设计的过程中通过DC-DC变换电路处理该问题。增氧机中的稳压芯片选用AMS1117，将太阳能电池与稳压模块连接，组成太阳能增氧机的供电部分和稳压部分。
稳压后的电能输入单片机中。定时模块由单片机STC89C52来实现，其功能相当于一个定时开关，主要是为了根据需求实现对供电装置向增氧器供电的控制。增氧模块得到电后能利用小气泵，将空气压入水中。气泵的增氧气管接高温烧结气盘，使氧气更大面积接触水体，达到高效增氧的目的。
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关键字:太阳能稳压器单片机气泵增氧
目录
1．引言 1
1.1 太阳能增氧机应用现状 1
1.2 太阳能增氧机的目的 1
1.3 研究思路 1
2. 太阳能增氧机总体设计方案 2
2.1 太阳能增氧机的供电及DC-DC稳压设计 2
2.2 基于STC89C52单片机定时系统的设计 2
2.3 增氧机增氧气泵和气盘的选取 3
2.4 本章小结 3
3. 供电模块 4
3.1 太阳能电池发电过程 4
3.2 太阳能电池的等效电路 5
3.3 太阳能电池的选用与分析 6
3.4 影响太阳能电池发电效率的因素 7
3.5 本章小结 8
4. 稳压模块 9
4.1 AMS1117 9
4.2 降压型稳压电路结构 11
4.3 降压型稳压电路的工作过程 13
4.4 本章小结 14
5. 定时系统 15
5.1 基于单片机STC89C52的定时原理 15
5.1.1 定时器工作方式 15
5.1.2 LCD1602液晶显示器 16
5.1.3 继电器电子开关设计 17
5.2 定时关闭系统方案论证 17
5.3 系统硬件电路设计 18
5.3.1 单片机定时系统和晶振电路 18
5.3.2 按键电路和复位电路 19
5.4 系统程序设计 20
5.5本章小结 21
6. 增氧系统 22
6.1 增氧的作用和方法 22
6.2 增氧气泵的工作过程 23
6.3本章小结 25
7.实物展示与拓展 26
7.1 实物展示 26
7.2 功能拓展 29
结束语 30
参考文献 31
致谢 32
附录 33
1．引言
1.1 太阳能增氧机应用现状
鱼缸增氧机在金鱼等观赏鱼的养殖中广泛的使用。很多人都喜欢养金鱼，但是很多情况下，一些金鱼因为水中的含氧量不足而缺乏活力。如果使用增氧机向水中增氧，增加水中的氧含量，将会大幅的提高金鱼的成活率[1]。
本文所要设计的是太阳能增氧机，一种利用太阳能作为供电模块而驱动增氧机进行工作的器件。利用太阳能具有很多好处，首先太阳能取之不尽用之不竭，并且太阳能清洁无污染、无毒害，这一点相对于柴油机驱动来说又是一个可取之处。
1.2 太阳能增氧机的目的
本文设计的太阳能增氧机，其优点是太阳能作为一种新能源，相比于常规能源有很多的优势。太阳能增氧机经安装之后，只需要做一些简单的维护，节能节电。一般观赏性鱼缸都是露天的，将太阳能增氧机放在不受树木等遮挡的阳光下，受光面充足，只要在晴天，增氧机都可以独立进行工作。太阳能增氧机中有定时装置，可根据需求选择增氧机的增氧时间[2]。
另外太阳能增氧机不仅可以利用于鱼缸增氧，还可以用于野外垂钓。为钓上来的鱼增氧，延长鱼的寿命，使鱼保持新鲜。
1.3 研究思路
太阳能增氧机是利用太阳能给增氧机供电，电能带动气泵工作，通过软气管向气盘输送氧气。气盘采用高温烧结气盘，将气管送来的氧气均匀的喷出，增大氧气和水的接触面，提高增氧量。在增氧机的工作过程中，利用定时模块控制增氧机的工作。定时模块主要由STC89C52单片机构成。
单片机同时也由太阳能供电。多晶硅太阳能将光能转换为电能，由于太阳能板发电效率受环境及天气影响，发出的电能不稳定，所以发电后需连接稳压电路。稳定电压后再接入单片机和增氧机进行供电，从而为所设计的产品提供稳定的电能
增氧器采用小型气泵。气泵通常可以分为电动气泵或人工气泵。显然，太阳能增氧机中使用的气泵是小功率的电动气泵。首先利用太阳能发电带动电机，电动机接齿轮后，再利用曲轴将电机旋转的力转换为上下的力，从而驱动橡胶膜进行打气。打出的气体通过氧气管线导入气盘，空气从气盘内均匀喷出。
2. 太阳能增氧机总体设计方案
太阳能增氧机主要由太阳能板的供电部分、DC-DC稳压控制、基于ATC89C52的定时部分以及增氧气泵组成。太阳光照射在多晶硅太阳能板上，将产生直流电源，为后续电路提供电源；因为在不同的光照下，太阳能电板产生的电流变化较大，因此需要一个稳压装置，运用DC-DC变换器将太阳能电板输出的电压稳定为后续电路所需的电压。单片机开启后，可以根据需要选择继电器关闭的时间。关闭的时间设计为增氧一小时后关闭以及三小时、五小时、十小时后关闭，还可以选择始终工作不关闭。系统打开后，增氧气泵开始工作，将空气通入水中，最终从气盘端输出。系统设计框图如图2-1所示。
图2-1 系统设计框图
2.1 太阳能增氧机的供电及DC-DC稳压设计
该增氧气泵和ATC89C52所需的电压均为5 。为了使稳压后的电压能够为增氧气泵和单片机供电，设计中供电的太阳能电池选用9 。综合各类光伏电池的优缺点，产品设计采用的是多晶硅太阳能电池。
因为太阳能电池所产生的直流电受环境的影响和天气影响较大，包括光照强度、光谱响应和温度以及光照角度等等因素，这些使得太阳能电池所发出的的电流不稳定，这样的电流不能直接接入增氧气泵和单片机给其供电。稳压器的作用是能将波动较大的电压稳定在一个很小的范围内,使负载能很好且稳定的工作，因此在设计的过程中通过DC-DC变换电路来处理对稳压问题。
基于DC-DC变换电路的太阳能控制器的工作过程为：太阳能电池通过光照，将输出的电能送入DC-DC变换电路，再根据设计需求，通过DC-DC变换输出稳定的电压或电流，对后续的定时模块和增氧模块提供电能[3]。
2.2 基于STC89C52单片机定时系统的设计
太阳能增氧机的中间环节安装了定时关闭系统。它是基于单片机STC89C52，利用C语言编程制作的定时关闭程序。单片机STC89C52控制电子开关，这个电子开关实际就是最后一个环节增氧模块的开关。这样便可以通过单片机控制继电器来控制增氧气泵，实现可定时关闭增氧机。定时系统分为五个档位，由按键控制可实现一小时、三小时、五小时、十个小时，最后是不关闭五个档位。打开单片机后，默认状态是定时一个小时，可由K2键和K3键实现时间的加减，K1键是开始按键，K0键是复位键。利用LCD1602做显示器，显示器第一排显示“welcome to use!”，第二排显示时间，默认为“01:00:00”，即一个小时。点击开始按键后开始计时，操作简单实用。
2.3 增氧机增氧气泵和气盘的选取
本文所设计的太阳能增氧机，其增氧气泵部分为成品气泵，气泵的功率为2 ，工作电压为5 ，连接单片机的输出端，通过单片机控制其工作。另外气盘选取为高温烧结气盘。高温烧结气盘采用高温烧结所制成，不同于一般市售的气石，具有坚固耐用易清洗等特点，并且出气均匀且细小。这使得增氧气泵压入水中的空气充分的与水体接触，从而增加水体吸氧量。高温烧结气石采用高温烧结所制成，不同于一般市售的气泡石。材质坚固耐用，克反复清洗，长期使用高温烧结气石采用高温烧结所制成，不同于一般市售的气泡石。材质坚固耐用，克反复清洗，长期使用
2.4 本章小结
本章按照设计要求进行总体方案的提出，产品的设计主要有供电模块，稳压模块，和定时模块，同时选定适当的增氧气泵和气盘。太阳能电池的选取，稳压电路的设计方案以及基于STC89C52定时系统的实现方案将会在后续的章节中详细给出。
3. 供电模块
供电模块由多晶硅太阳能电池板组成。供电模块组成了整个太阳能增氧机的供电系统。在阳光的照射下为整个增氧系统和单片机定时控制系统提供电能。本章节主要分析各类太阳能电池的优缺点，根据需求选择更加经济有效的电池。同时分析各类影响太阳能发电效率的因素。
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